книги из ГПНТБ / Андрющенко А.И. Оптимизация тепловых циклов и процессов ТЭС учеб. пособие

А. И. АНДРЮЩЕНКО, А. В. ЗМАЧИНСКИЙ, В. А. ПОНЯТОВ

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ЦИКЛОВ И ПРОЦЕССОВ ТЭС

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР

в качестве учебного пособия для студентов теплоэнергетических специальностей

высших учебных заведений

МОСКВА «ВЫСШАЯ Ш КОЛА» 1974

6П2.2 Л65

УДК 536.7(075)

Оптимизация тепловых циклов и процессов ТЭС. Учеб, пособие для теплоэнерг. специальностей вузов. М., «Высш. школа», 1974.

280 с. с ил.

Перед загл. авт.: Андрющенко А. И., Змачинский А. В., Понятов В. А.

В учебном пособии излагаются основы современных методов термодина­ мической и технико-экономической оптимизации циклов и схем теплоэнерге­ тических блоков различных типов. Показано применение этих методов для решения задач оптимального проектирования основного и вспомогательного оборудования тепловых электростанций большой мощности. Рассматриваются вопросы выбора параметров и технических характеристик турбинных устано­ вок и парогенераторов.

С*

© Издательство «Высшая школа», 1974.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Директивами XXIV съезда КПСС предусмотрено в 1971—1975 гг. ввести в действие на электростанциях мощности 65—67 млн. киловатт,

улучшить технико-экономические показатели работы энергетического оборУдованияСнизить удельный расход топлива на электростанциях

Вуказанный период будет изготовлен головной паротурбинный блок единичной мощностью 1200 тыс. кВт и будут создаваться новые энергетические блоки еще большей мощности.

Всвязи с этим разработка методов оптимизации параметров, цик­ лов и схем теплоэнергетических установок и подготовка инженеров, специализирующихся в области их расчетов и исследований, становит­ ся одной из важнейших задач энергетических вузов и факультетов.

Вподготовке указанных специалистов особое значение приобретает изучение современных методов оптимизации циклов и схем теплоэнер­ гетических установок в спецкурсах по вопросам, еще не освещенным в действующих учебниках. Настоящее издание является попыткой соз­ дать необходимое учебное пособие по указанным курсам. Авторы стре­ мились изложить прежде всего теоретические основы оптимизации циклов гыцараметров реальных типов теплоэнергетических установок, без всякой идеализации процессов, в них происходящих.

Ставится задача, чтобы структура цикла и его параметры, схема установки и ее элементы, размеры поверхностей нагрева, скорости, температурные напоры и т. п. выбирались экономически наивыгодней­ шими, с учетом всех имеющихся технических ограничений. В этой свя­ зи главное внимание в книге уделяется определению реальных техни­ ко-экономических оптимумов, обеспечивающих наименьшие затраты государственных средств при полном обеспечении выработки и отпус­

ка в сеть необходимого количества электрической и тепловой энергии заданного качества.

Для более четкого уяснения методики расчетов каждое теоретиче­ ское решение демонстрируется примерами расчета оптимального зна­ чения искомого параметра, размера или другой характеристики про­ ектируемой установки. Чтобы не допускать ошибок при использовании каких-либо приближенных уравнений состояния рабочих тел, в книге

3

Г Л А В А I

ВВЕДЕНИЕ

§ 1-1. СОВРЕМЕННЫЕ ТИПЫ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК И ЗАДАЧИ ИХ ОПТИМИЗАЦИИ

Основная доля выработки электрической энергии в нашей стране приходится на тепловые электрические станции (ТЭС). В ближайшие годы в соответствии с Директивами XXIV съезда КПСС главным типом двигателей наиболее крупных тепловых электростанций станут паро­ турбинные блоки единичной мощностью 500 800 тыс. кВт, а в последующем 1200 МВт и более. Сейчас строятся в основном круп­ ные электростанции единичной мощностью 2,4 млн. кВт и выше. На

bbO/bbO С. Создана и освоена в эксплуатации наиболее крупная полу-

25 МВт. Создается пиковая ГТУ упрощенного типа единичной мощно80 МВт. Созданы и надежно работают парогазовые • установки (ПГУ) мощностью до 200 МВт. На теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) ос­ воены новейшие типы крупных теплофикационных турбин на закритические параметры пара (23,5 МПа = 240 кгс/см2; 540/540° С) мощно­ стью 250 МВТ и противодавленческие турбины мощностью 100 МВт. Удельный расход топлива на современной ТЭЦ с турбинами 100 МВт достиг в 1970 г. 257 г/(кВт-ч), а в целом по всем тепловым элект­

ростанциям СССР он снизился до 366 г/(кВт • ч).

^Рост выработки электроэнергии в СССР и мощности электростан­ ций характеризуются данными, приведенными в табл. 1-1.

Т а б л и ц а Ы

Суммарная мощность электростанций Советского Союза к 1980 г. составит^свыше 300 млн. кВт, а к 2000 г. — около 1 млрд. кВт. Если в ближайшем десятилетии мощность наиболее крупных тепловых элек­ тростанций достигнет 4 -f 5 млн. кВт, то к 2000 г. она увеличится до 6 — 8 млн. кВт. Единичная мощность энергетических блоков соот­ ветственно достигнет 1,6 -f- 2,0 млн. кВт.

5

Учитывая, что суммарная мощность гидроэлектростанций, по име­ ющимся в нашей стране реальным гидроэнергетическим ресурсам, к-2000 г. составит не более 125 млн. кВт, они не будут играть сущест­ венной роли в покрытии электрической нагрузки. Основная нагрузка по выработке требуемого народным хозяйством количества электриче­ ской энергии и покрытию пиков электропотребления будет возложена на теплоэнергетические блоки, работающие как на минеральном, так и на ядерном горючем. Суммарная мощность вводимых в 1971—1975 гг. атомных электростанций (АЭС) составит 6 -у 8 млн. кВт, т. е. около 10-у 12% всей вводимой мощности. В дальнейшем этот процент будет возрастать и к концу двадцатого века, вероятно, приблизится к 40%.

Подобная тенденция в развитии электроэнергетики наблюдается и в наиболее крупных передовых капиталистических странах. На теп­ ловых электростанциях Великобритании и Франции все больше при­ меняются паротурбинные блоки мощностью 500 -у 800 тыс. кВт как на обычных, так и на атомных электростанциях. В Соединенных Шта­ тах Америки эксплуатируются паротурбинные блоки мощностью 1000 МВт (электростанция Равенсвуд) и 1130МВт (станция Парадайз). Заказан ряд блоков мощностью 1200 МВт и выше.

Имеющаяся тенденция в развитии энергетики позволяет считать, что основным типом энергетических блоков электростанций ближайше­ го будущего останутся паротурбинные блоки большой мощности. Для работы в пиковых и полупиковых условиях наибольшее применение, видимо, получат газотурбинные и парогазовые установки. В качестве примеров современных блоков рассмотрим несколько наиболее харак­ терных теплоэнергетических установок, являющихся перспектив­ ными на ближайшее будущее.

На рис. 1-1 показана принципиальная тепловая схема паротурбин­ ного блока большой мощности, работающего на минеральном топливе.

6

Характерной особенностью этой установки являются двойной промежутонныи неретрсв (ПП1 „ ПП2), турбонривод питательного „ас“ а ( ) и более совершенная по сравнению с обычной схема регенерации. На пароохладители регенеративных подогревателей высокого давления ( Ь Д ) здесь подается только часть питательной воды, что позволяет уменьшить потери от необратимого теплообмена между греющим паром и нагреваемой водой. Паровая одновальная турбина состоит из не-

скольких цилиндров: сверхвысокого (ЦСВД), высокого (ЦВД), сред­ него (ЦСД) и низкого (ЦНД) давлений.

у же в настоящее время реальным является создание таких блоков ющностью до 1200 МВт в одновальном исполнении турбоагрегата с шестью выхлопами части низкого давления (ЧНД) и высотой рабочей

Рис. 1-2

лопатки последней ступени до 1200 мм. Электрический к. п. д. блока достигает 40 41 % ^ при начальных параметрах 23,5 МПа =

240 кгс/см2, 540 — о60 С и тех же температурах после каждого про­ межуточного перегрева.

Большие перспективы принадлежат развитию ядерной энергетики, в частности, мощным блокам с водоводяными или кипящими реакто­ рами Р [1], работающим на насыщенном водяном паре, получаемом в парогенераторе ПГ с давлением до 5,9-у 6,4 МПа = 60-1-65,28 кгс/см2. Принципиальная тепловая схема такого блока приведена на рис. 1-2. Рабочий процесс турбины в установках этого типа характеризуется по­ вышенной влажностью в ступенях ЦВД и ЦНД, что вынуждает при­ менять промежуточную сепарацию пара и его паропаровой промежуточ­ ный перегрев. Хотя последний несколько снижает термический к. п. д. цикла [1], однако в реальных установках позволяет существенно умень­ шить влажность пара в ЦНД и тем самым повысить эффективный к. п. д. блока. Для снижения потерь от необратимого теплообмена в паропе-

7

регревателе применяются после сепаратора (С) промежуточный пере­ грев в двух его ступенях ПП1 и ПП2 с подачей на эти ступени пара из отбора ЦВД и острого пара. В настоящее время для атомных электро­ станций намечено создать такие блоки мощностью 500 -f- 1000 МВт с электрическим к. п. д. 32 ч- 33% и выше.

Большой интерес представляют также блоки, работающие по ком­ бинированным циклам на двух рабочих телах. Схема комбинированного блока, работающего по парогазовому циклу, приведена на рис. 1-3. В высоконапорном парогенераторе ВПГ генерируется острый пар для паровой турбины и рабочий газ — для ГТУ, состоящей из компрес­ сора (К) и газовой турбины (ГТ). В отличие от обычных паротурбин-

Рис. 1-3

ных блоков реальные парогазовые установки имеют параллельную схему подогрева питательной воды, при которой часть воды подогре­ вается отборным паром; другая часть воды подогревается уходящи­ ми газами в первой (ЭК1) и второй (ЭК2) ступенях экономайзера. В па­ ровом потоке питательная вода подогревается в регенеративных подо­ гревателях по обычной схеме. За счет газовой надстройки с начальной температурой газа 750 -f- 800° С в парогазовых блоках электрический к. п. д. повышается на 4 -f- 6% по сравнению с паротурбинными бло­ ками при тех же начальных параметрах пара. Различные типы паро­ газовых блоков описаны в [2, 3], и мы на них здесь не останавливаем­ ся. По схеме, приведенной на рис. 1-3, сооружен отечественный парогазовый блок мощностью 200 МВт. Общим недостатком парогазо­ вых установок являются их относительно небольшая мощность и боль­ шое количество агрегатов в блоке.

Наибольшую единичную мощность могут обеспечить так называ­ емые бинарные паротурбинные блоки с использованием низкокипящих

8

веществ. Схема бинарного блока показана на рис. 1-4. В низкотемпе­ ратурной части цикла этого блока используется рабочее тело, имеющее значительно меньшую по сравнению с водяным паром температуру кипения (в частности, .аммиак или некоторые фрцоны). Пар низкокипящего вещества расширяется в специальной турбине ТН.

Такая схема позволяет резко уменьшить габариты выходной части турбины (ЦСНД), снизить выходные потери и потери от влажности. За счет этого в значительной степени устраняется отрицательное влия­ ние на экономичность установки температурного напора в промежуточ­ ном парогенераторе (ПГН). Одновременно упрощается конструкция конденсационного устройства, поскольку давление в низкотемператур­

ной части цикла превышает атмосферное, привод питательных насосов осуществляется от турбин с противодавлением ТПВ и ТПН. Водяной пар генерируется в обычном парогенераторе (ПК). В обеих частях цик­ ла без снижения экономичности таким путем можно повысить мощ­ ность одновальных турбоагрегатов до 2000 МВт и более.

В качестве примера современных теплофикационных блоков на рис. 1-5 приведена тепловая схема теплофикационной установки с тур­ биной Т-250-240 и двухступенчатым нагревом сетевой воды в подогре­ вателях С1 и С2. Схема системы регенерации здесь такая же, как и в конденсационных блоках. Поэтому многие элементы этих двух типов турбоустановок унифицированы. В частности, теплофикационная тур­ бина Т-250-240 выполняется на базе серийной конденсационной турби­

ГТУ-100-750 Ленинградского металлического завода (ЛМЗ). Установ­ ка имеет регенерацию, четыре ступени сжатия в компрессорах низкого (КНД), среднего (КСД1 и КСД2) и высокого (КВД) давлений, две ступени подвода тепла в камерах сгорания высокого (КСВД) и низ­ кого (КСНД) давлений и две ступени расширения в турбинах высоко­

9